NRF-047-PEMEX-2007
04 de septiembre de 2007
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COMITÉ DE NORMALIZACIÓN DE PETRÓLEOS MEXICANOS
Y ORGANISMOS SUBSIDIARIOS
SUBCOMITÉ TÉCNICO DE NORMALIZACIÓN DE
PEMEX EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN
DISEÑO, INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO
DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
(Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002 de fecha 26 de agosto de 2002)
Comité de Normalización de
Petróleos Mexicanos y
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CAPÍTULO
DISEÑO, INSTALACIÓN Y
MANTENIMIENTO DE LOS
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
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0.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 4
1.
OBJETIVO ............................................................................................................................................ 4
2.
ALCANCE............................................................................................................................................. 4
3.
CAMPO DE APLICACIÓN ................................................................................................................... 5
4.
ACTUALIZACIÓN ................................................................................................................................ 5
5.
REFERENCIAS .................................................................................................................................... 5
6.
DEFINICIONES .................................................................................................................................... 6
7.
SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS.......................................................................................................... 8
8.
DESARROLLO ..................................................................................................................................... 10
9.
8.1
Tipos de sistemas de protección catódica.................................................................................. 10
8.2
Diseño......................................................................................................................................... 10
8.3
Materiales ................................................................................................................................... 28
8.4
Instalación y pruebas.................................................................................................................. 31
8.5
Inspección y Mantenimiento ....................................................................................................... 35
8.6
Documentación y registros ......................................................................................................... 36
RESPONSABILIDADES..................................................................................................................... 37
10. CONCORDANCIA CON NORMAS MEXICANAS O INTERNACIONALES .................................... 37
11. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 37
12. ANEXOS ............................................................................................................................................... 39
0.
INTRODUCCIÓN
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En las estructuras o tuberías de acero enterradas o sumergidas, existen varias formas de corrosión, producidas
por diferentes causas que inciden en el deterioro del metal. Diversos factores afectan sustancialmente el tipo y
velocidad de corrosión en una estructura en contacto con el suelo o con los diferentes ambientes que la rodean.
Se cuenta con métodos para prevenir y controlar la corrosión, como las barreras físicas, inhibidores de
corrosión y los sistemas de protección catódica, éste último consiste en lograr que la estructura funcione como
cátodo en una celda de corrosión, mediante la modificación de factores electroquímicos.
Debido a que la protección catódica es uno de los sistemas más efectivos para el control de la corrosión exterior
de estructuras enterradas o sumergidas, es necesario establecer los requisitos técnicos para su aplicación.
Este documento normativo se realizó en atención y cumplimiento a:
Ley Federal sobre Metrología y Normalización y su Reglamento.
Ley de Obras Públicas y Servicios Relacionados con las Mismas y su Reglamento.
Ley de Adquisiciones, Arrendamientos y Servicios del Sector Público y su Reglamento.
Ley General de Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y su Reglamento.
Guía para la Emisión de Normas de Referencia de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios
(CNPMOS-001, 30 septiembre 2004).
En la revisión y actualización de esta norma participaron:
PEMEX-Exploración y Producción.
Pemex Gas y Petroquímica Básica.
Pemex Refinación.
Pemex Petroquímica.
Petróleos Mexicanos.
Participantes externos:
Instituto Mexicano del Petróleo
Comercializadora Eléctrica y Electrónica Méndez, S.A. de C.V.
Protección Catódica Mexicana, S.A. de C.V.
1.
OBJETIVO
Establecer los requisitos técnicos, criterios y metodologías para la contratación de los servicios de diseño,
especificación de materiales, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica en estructuras
enterradas o sumergidas, utilizadas para la explotación, transporte y almacenamiento de hidrocarburos y sus
derivados.
2.
ALCANCE
Esta norma incluye los requisitos para el diseño, materiales, instalación, pruebas y mantenimiento de sistemas
de protección catódica, a través de ánodos galvánicos o sistemas de corriente impresa, para proteger contra la
corrosión a tuberías enterradas (en lecho marino y áreas terrestres) o sumergidas en cuerpos de agua dulce,
salobre, marino y para subestructuras de plataformas marinas, muelles, embarcaderos y monoboyas, utilizados
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en las actividades de producción, transporte, distribución, comercialización y procesamiento de hidrocarburos y
sus derivados en Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Esta norma cancela y sustituye a la NRF-047-PEMEX-2002, Rev. 0 de fecha 26 de agosto de 2002.
3.
CAMPO DE APLICACIÓN
Esta norma de referencia es de aplicación general y observancia obligatoria en la contratación de los servicios
de diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas de protección catódica que se realicen en los centros de
trabajo de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios. Por lo que debe ser incluida en los procedimientos
de contratación: licitación pública, invitación a por lo menos tres personas o adjudicación directa, como parte de
los requisitos que debe cumplir el proveedor, contratista o licitante.
4.
ACTUALIZACIÓN
Esta norma se debe revisar y en su caso modificar al menos cada 5 años o antes si las sugerencias y
recomendaciones de cambio lo ameritan.
Las sugerencias para la revisión y actualización de esta norma, deben enviarse al Secretario del Subcomité
Técnico de Normalización de PEMEX-Exploración y Producción, quien debe programar y realizar la
actualización de acuerdo a la procedencia de las mismas y en su caso, inscribirla dentro del Programa
Anual de Normalización de Petróleos Mexicanos, a través del Comité de Normalización de Petróleos
Mexicanos y Organismos Subsidiarios.
Las propuestas y sugerencias de cambio deben elaborarse en el formato CNPMOS-001-A01 de la Guía
para la Emisión de Normas de Referencia CNPMOS-001-A0, Rev. 1 del 30 de septiembre de 2004 y
dirigirse a:
PEMEX-Exploración y Producción.
Coordinación de Normalización.
Bahía de Ballenas 5, Edificio “D”, PB., entrada por Bahía del Espíritu Santo s/n.
Col. Verónica Anzures, México D. F., C. P. 11 300
Teléfono directo: 1944-9286
Conmutador: 1944-2500 extensión 380-80, Fax: 3-26-54
Correo Electrónico: mpachecop@pep.pemex.com
5.
REFERENCIAS
5.1
ISO 13174:2006.- “Cathodic protection for harbor installations” (Protección catódica para las
instalaciones portuarias)
5.2
ISO 15589-1:2004.- “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline
transportation systems, Part 1: On-Land pipelines”. (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a
ductos de transporte, parte 1 Ductos terrestres).
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5.3
ISO 15589-2:2004 - “Petroleum and natural gas industries - Cathodic protection of pipeline
transportation systems, Part 2: Offshore Pipelines” (Industrias del petróleo y gas natural – Protección catódica a
ductos de transporte, parte 2 Ductos marinos).
5.4
NOM-001-SEDE-2005 - “Instalaciones eléctricas (Utilización)”.
5.5
NOM-008-SCFI-2002 - “Sistema general de unidades de medida”.
5.6
NOM-008-SECRE-1999 - “Control de la corrosión exterior en tuberías enterradas y/o sumergidas”.
5.7
NRF-013-PEMEX-2005- “Diseño de líneas submarinas en el Golfo de México”.
5.8
NRF-014-PEMEX-2006 – “Inspección, evaluación y mantenimiento de ductos submarinos”.
5.9
NRF-020-PEMEX-2005 - “Calificación y certificación de soldadores y soldadura”.
5.10
NRF-026-PEMEX-2001 - “Protección con recubrimientos anticorrosivos a tuberías enterradas y/o
sumergidas”.
5.11
NRF-030-PEMEX-2006 “Diseño, construcción, inspección y mantenimiento de ductos terrestres para
transporte y recolección de hidrocarburos”
5.12
NRF-048-PEMEX-2003 - “Diseño de instalaciones eléctricas en plantas industriales”.
5.13
NRF-053-PEMEX-2006 - “Sistemas de protección
instalaciones superficiales”.
anticorrosiva a base de recubrimientos para
5.14
NRF-096-PEMEX-2003 - “Conexiones y accesorios para ductos de recolección y transporte de
hidrocarburos”.
5.15
NRF-110-PEMEX-2003 - “Evaluación de ánodos de sacrificio galvánicos de magnesio”.
5.16
NRF-126-PEMEX-2005 - “Ánodos de aluminio”.
6.
DEFINICIONES
Para propósitos de esta norma se establecen las definiciones siguientes:
6.1
Alma del ánodo - Varilla, solera o tubo de acero colocado en el centro del ánodo galvánico, utilizado
para la sujeción o fijación del mismo.
6.2
Ánodo - El electrodo de una celda electrolítica en el cual la principal reacción que ocurre es la de
oxidación.
6.3
Ánodo galvánico o de sacrificio - Es un metal con potencial normal de oxidación mayor que el de la
estructura metálica por proteger, de tal forma, que al emitir corriente de protección se consume.
6.4
Ánodo inerte - Es aquél que no produce corriente eléctrica y su consumo no es directamente
proporcional a la corriente de protección.
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6.5
Caída de voltaje IR - Cambio de potencial debido al paso de una corriente eléctrica “I” en un circuito de
resistencia “R”. Esta caída debe ser considerada para una interpretación válida en la medición de potenciales
en los sistemas de protección catódica.
6.6
Cambio de potencial - Diferencia entre el potencial estructura – medio (electrolito), medido después de
suspender la corriente de un sistema de protección catódica y el potencial instantáneo en estado apagado.
6.7
Cátodo - Es el electrodo de una celda electroquímica, en el cual la principal reacción que ocurre es la
de reducción.
6.8
Corriente de protección - Es la corriente eléctrica directa, necesaria para obtener los valores de
potenciales de protección catódica de una estructura metálica enterrada o sumergida en un electrolito.
6.9
Corrosión - Es la reacción electroquímica de un metal con su ambiente, resultando en un deterioro
gradual y progresivo del metal y sus propiedades. Esta especificación se refiere a la corrosión como una acción
electroquímica.
6.10
Densidad de corriente - Es la corriente eléctrica directa por unidad de área de superficie de un
electrodo, expresada en mili ampere por metro cuadrado.
6.11
Ducto ascendente - Tramo de tubería ascendente que conecta la trampa de diablos o tubería de
cubierta con la curva de expansión de la línea regular que se instala en el lecho marino.
6.12
Electrodo de Referencia - Electrodo con potencial estable y reproducible, el cual se usa en la medición
de potenciales estructura – medio (electrolito).
6.13 Electrolito - Conductor iónico de corriente eléctrica directa. Se refiere al subsuelo o al agua en
contacto con una tubería metálica enterrada o sumergida.
6.14
Factor de daño del recubrimiento (ƒc) - Es el cociente que resulta de dividir la relación de la densidad
de corriente requerida para polarizar una superficie metálica de acero recubierta, entre la densidad de corriente
de la superficie metálica del acero desnudo.
6.15
Factor de utilización - Es la proporción de material anódico considerada en el diseño, que puede ser
consumida en un ánodo.
6.16
Fuente de energía (Rectificador) - Es cualquier dispositivo que permite imprimir gradualmente, la
corriente eléctrica necesaria para la protección de una estructura a través de energía eléctrica continua.
6.17
Masa neta total - Es la masa que se requiere para satisfacer la demanda de corriente media, sin
considerar la masa adicional del alma o soportes.
6.18
Polarización - Es la magnitud de variación de potencial de circuito abierto de un electrodo, causado por
el paso de una corriente eléctrica.
6.19
Poste de señalamiento y registro - Es aquél que indica la trayectoria y localización de las estructuras
metálicas por proteger, sirviendo además para medir el potencial de la estructura al electrolito.
6.20
Potencial de estructura-electrolito - Es la diferencia de tensión, entre una estructura metálica
enterrada o sumergida y un electrodo de referencia, en contacto con el electrolito.
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6.21
Potencial en estado encendido - Potencial estructura–medio (electrolito), medido con la corriente de
protección catódica circulando.
6.22
Potencial de polarización - Potencial estructura–medio (electrolito), medido inmediatamente después
de interrumpir las fuentes de energía de protección catódica. Es el potencial real de protección de la estructura.
6.23
Protección catódica - Procedimiento eléctrico para proteger las estructuras metálicas enterradas o
sumergidas contra la corrosión exterior, el cual consiste en establecer una diferencia de potencial para que
convierta a las estructuras en cátodo, mediante el paso de corriente eléctrica directa proveniente del sistema de
protección seleccionado.
6.24
Resistencia (shunt) - Resistencia de valor conocido, la cual permite determinar la corriente eléctrica,
mediante la obtención de diferencias de potenciales fijas, cuando es insertada en un circuito que transporta
carga eléctrica.
6.25
Resistividad del terreno - Es la resistencia eléctrica específica de un terreno, se expresa en Ω-cm.
6.26
Soldadura por aluminotermia - Procedimiento para soldar conductores eléctricos a estructuras
metálicas, consiste de una mezcla pulverizada de óxidos de cobre y aluminio con polvo de arranque, que se
activa mediante una chispa, dentro de un molde.
Además de lo indicado en el capítulo 6 de esta norma, para otras definiciones aplicables, referirse a la NOM008-SECRE-1999, capítulo 4, NRF-013-PEMEX-2005 y NRF-030-PEMEX-2006.
7.
SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A
Ampere
a
Espaciamiento entre electrodos del Método de Wenner para medir resistividad de suelos (cm)
Ag
Plata
Ag/AgCl
Plata-Cloruro de Plata
Al
Aluminio
ASTM
American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales)
AWG
American Wire Gauge (Calibre de Cable Americano).
BS
British Standard (Norma Británica)
o
C
CD
Grado Celsius
Corriente directa
cm
Centímetro
Cu/CuSO4 Cobre-Sulfato de Cobre
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DNV
Det Norske Veritas (Norma Noruega)
E
Potencial ó diferencia de potencial eléctrico
U
Vida útil material anódico (factor de utilización)
h
Hora
I
Corriente eléctrica
Ic
Valor desconocido de la corriente que circula en un circuito
In
Indio
km
Kilómetro
m
Metro
M
Mega
mA
Miliamperes
NACE
National Association of Corrosion Engineers (Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión).
N.T.N.
Nivel de terreno natural
Porcentaje de IR
Parámetro obtenido en mediciones de gradientes de potencial de corriente directa.
R
Resistencia eléctrica (Ω)
Rs
Valor de la resistencia (shunt) (Ω)
s
Segundo
V
Volt
Vs
Caída de potencial medida entre los extremos de la resistencia (shunt) (V)
Zn
Zinc
ρ
Resistividad (Ω - cm)
Ω
Ohm
ISO
8.
International Organization for Standardization (Organización Internacional para la Estandarización)
DESARROLLO
8.1
Tipos de sistemas de protección catódica
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Existen dos tipos de sistemas de protección catódica que pueden utilizarse individualmente o combinados,
siendo éstos los siguientes:
8.1.1
Corriente impresa
Este sistema consiste de una fuente de energía y un electrodo auxiliar (ánodo) o grupo de ánodos inertes que
integran la cama anódica, situados a la distancia determinada por el diseño de la estructura a proteger, en el
cual la corriente fluye del ánodo hacia la estructura.
8.1.2
Ánodos galvánicos (de sacrificio)
Este sistema utiliza como fuente de corriente, la diferencia de potencial entre el material del ánodo y la
estructura a proteger.
En este sistema, el material de los ánodos se consume dependiendo de la demanda de corriente de protección
de la estructura a proteger, la resistividad del electrolito y del material usado como ánodo, durante el proceso de
descarga del mismo.
8.2
Diseño
8.2.1
Consideraciones generales
8.2.1.1 Recubrimiento anticorrosivo - Las estructuras metálicas enterradas o sumergidas, con excepción de
las subestructuras de las plataformas marinas, deben protegerse con un recubrimiento anticorrosivo con
propiedades dieléctricas.
Las tuberías nuevas enterradas y/o sumergidas deben recubrirse externamente y protegerse conforme a lo
indicado en la NRF-026-PEMEX-2001.
En los ductos ascendentes y ejes de las plataformas marinas en la zona de mareas y oleaje, se les debe aplicar
un sistema de recubrimiento anticorrosivo de acuerdo con la NRF-053-PEMEX-2005.
8.2.1.2 Aislamiento eléctrico - Los ductos y estructuras metálicas a proteger, deben aislarse eléctricamente
a la salida y llegada de las instalaciones de proceso. Cualquier otro tipo de estructuras de metal o de concreto,
que formen parte del arreglo de la tubería que transporte el fluido, deben ser consideradas en el diseño del
sistema de protección catódica.
8.2.1.3 Criterios para protección catódica – Para proteger catódicamente a las estructuras enterradas o
sumergidas, se debe cumplir como mínimo con uno de los criterios indicados a continuación.
a)
Un potencial estructura-electrolito (catódico) mínimo de - 0,850 V, de CD, medido respecto de un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), en contacto con el electrolito en
estructuras enterradas. La determinación de este voltaje se debe hacer con la corriente eléctrica
aplicada;
b)
Un potencial de protección estructura-electrolito (catódico) de - 0,950 V, medido respecto de un
electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4), cuando el área circundante de
la tubería se encuentre en condiciones anaeróbicas y estén presentes microorganismos asociados al
fenómeno de corrosión como las bacterias sulfato-reductoras, para una interpretación válida se debe
efectuar la corrección a que haya lugar, debido a la caída de voltaje originada durante la medición.
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Un cambio de potencial de polarización mínimo de - 0,100 V, medido entre la superficie de la tubería y
un electrodo de referencia de cobre/sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4) en contacto con el electrolito.
El cambio de potencial de polarización se debe determinar interrumpiendo la corriente eléctrica de protección y
midiendo el abatimiento de la polarización. Los periodos de suspensión de corriente eléctrica de protección,
durante los cuales se puede realizar dicha medición están en el rango de 0,1 a 3,0 segundos.
8.2.1.4 Potencial permisible estructura/electrolito para evitar daño al recubrimiento anticorrosivo - Este
valor se debe fijar de acuerdo a las características particulares del recubrimiento anticorrosivo de la tubería, no
debe exceder al potencial de desprendimiento catódico o a valores de potencial más negativos que originen
desprendimiento del recubrimiento.
En caso de no conocerse el valor del potencial permisible, éste no debe ser más negativo de -1.1 V (Cu/CuSO4)
en la condición de apagado instantáneo.
8.2.1.5 Consideraciones de diseño - Se debe seleccionar el sistema de protección catódica para cada caso
particular, de tal manera que: se proporcione una corriente eléctrica que satisfaga la demanda, se distribuya
uniformemente la misma en la estructura por proteger, se eviten interferencias y daños en el recubrimiento
anticorrosivo.
El diseño del sistema de protección, debe estar en función de la vida útil de la estructura e incluir todos los
accesorios metálicos y líneas que vayan a ser conectados eléctricamente al ducto, tales como curvas de
expansión, interconexiones, acometidas, entre otras.
Los sistemas de protección catódica para ductos terrestres que utilicen ánodos galvánicos, deben usar ánodos
de magnesio que cumplan con la NRF-110-PEMEX-2003.
Los sistemas de protección catódica para ductos en zonas lacustres que utilicen ánodos galvánicos, pueden
utilizar ánodos de zinc que cumplan con esta norma; siempre y cuando su desempeño garantice el
cumplimiento de los criterios de protección mediante un estudio previo.
Las estructuras y ductos marinos, deben contar con un sistema de protección catódica permanente instalado
simultáneamente en la fase de construcción. Deben emplearse ánodos base aluminio que cumplan con la NRF126-PEMEX-2005 o zinc que cumplan con lo indicado en esta norma de referencia y sus respectivas aleaciones
sin contenido de mercurio, según se especifique.
8.2.1.6 Información mínima para el diseño de los sistemas de protección catódica en ductos
enterrados, lacustres y marinos:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
l)
Planos de trazo y perfil o planos de alineamiento (con coordenadas geográficas UTM)
Fecha de construcción.
Especificaciones de la tubería, conexiones y otros accesorios.
Tipo y calidad del recubrimiento anticorrosivo dieléctrico.
Instalaciones adyacentes, cruces entre tuberías e interconexiones.
Cruces encamisados.
Aislamientos eléctricos.
Puenteos eléctricos entre ductos.
Requisitos de seguridad.
Cruzamientos con vías terrestres y fluviales.
Temperatura de operación de la tubería.
Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.
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m)
n)
o)
p)
q)
r)
s)
t)
u)
v)
w)
x)
y)
z)
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Posibles fuentes de interferencia.
Condiciones especiales del ambiente.
Vida útil del ducto.
Estructuras metálicas enterradas vecinas.
Accesibilidad a las áreas de trabajo.
Disponibilidad de energía eléctrica.
Factibilidad de aislamiento eléctrico de las estructuras vecinas.
Corrientes de agua.
Uso y ocupación del suelo.
Pruebas de requerimiento de corriente y número total de puntos de drenaje.
Perfil de resistividad del electrolito.
Estadística de fallas de la tubería.
Perfil de potenciales estructura-electrolito.
Análisis físico-químicos y microbiológicos del electrolito.
8.2.1.7 Juntas aislantes - Las juntas aislantes que se utilicen para aislar eléctricamente la estructura a
proteger, deben cumplir con lo indicado en 8.6 de la NRF-096-PEMEX-2004.
8.2.1.8 Planos de diseño - Los planos aprobados para construcción se deben elaborar mostrando con detalle
y precisión, el sistema de protección catódica y cumplir con la NOM-008-SCFI-2002, así como la especificación
de los materiales empleados. La relación de los planos se indica en los anexos 12.2 y 12.3 y deben incluir lo
siguiente:
a)
Datos de la tubería por proteger, como: diámetro, espesor, tipo de acero, servicio, longitud, estructuras
vecinas enterradas o sumergidas, aislamiento eléctrico, espesor y tipo recubrimiento.
b) Ubicación del sistema (casetas, camas anódicas, postes de señalamiento, registro y puenteo), mediante
posicionamiento en coordenadas geográficas UTM considerando el DATUM WGS84.
c) Acceso a las instalaciones.
d) Cable y soldadura.
e) Número, tipo, peso, espaciamiento y profundidad de ánodos, si van empacados o no.
f)
Perfil de resistividad del terreno.
g) Nombre del (los) propietario(s) del terreno donde se localiza la instalación de protección catódica.
h) Capacidad y tipo del rectificador o de la fuente de energía empleada.
i)
Capacidad de la subestación eléctrica.
j)
Caseta de protección para el rectificador.
k) Cantidad, tipo y ubicación de postes de señalamiento y registro.
l)
Gráfica para determinar la tierra remota.
m) Medición de potenciales a todo lo largo de la tubería antes y después de la instalación del sistema de
protección catódica.
8.2.1.9 Información mínima necesaria para el diseño de sistemas de protección catódica para
plataformas marinas
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Planos de la subestructura.
Requerimientos de seguridad.
Vida útil de la plataforma.
Tirante de agua y altura de marea.
Profundidad del lecho marino, velocidad de corrientes, temperatura y resistividad del lecho marino.
Instalaciones vecinas, incluyendo tuberías.
Aislamiento eléctrico de otras estructuras metálicas que puedan provocar fugas de corriente eléctrica.
Sistemas de protección catódica existentes o propuestos.
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i)
j)
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Resistividad del agua.
Indicación del eje o pierna donde el ducto ascendente arribará a la plataforma.
8.2.1.10 Muelles, embarcaderos y monoboyas - Para garantizar el buen funcionamiento del sistema de
protección catódica, se debe asegurar la continuidad eléctrica de todas las partes metálicas de la estructura.
Para el diseño de los sistemas de protección catódica en este tipo de instalaciones, se deben aplicar los
requisitos establecidos en la ISO 13174.
Los parámetros a considerar en el diseño de protección catódica para muelles y embarcaderos son los
siguientes:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Área por proteger.
Factor de daño del recubrimiento.
Requerimiento de corriente.
Selección del tipo de sistema.
Disponibilidad de fuentes de energía.
Vida útil de la instalación.
Las monoboyas, se deben proteger por medio de ánodos galvánicos. En la selección de la aleación del ánodo,
se deben considerar los siguientes parámetros:
a)
b)
El peso del material anódico, no debe afectar la flotabilidad de la monoboya.
Prevención de daño mecánico al ánodo en su instalación, montaje y operación.
8.2.2 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con ánodos galvánicos para
ductos terrestres y lacustres
Para el diseño de un sistema con ánodos galvánicos se deben considerar los puntos siguientes:
a)
b)
c)
d)
Selección del material de los ánodos.
Arreglo para la instalación de los ánodos.
Propiedades electroquímicas y rendimiento del ánodo indicadas en la tabla 1.
Consumo de ánodos de magnesio y zinc (que se establecen en 8.2.2.6).
8.2.2.1 Vida útil - La vida útil del ánodo depende tanto del material como de su peso. Los datos del
comportamiento del ánodo instalado, deben usarse para calcular el valor probable de consumo.
Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la entrega de corriente debe ser calculada por la siguiente
ecuación:
I=
Ec − Ea
.......................................................................................... (1)
Ra
Donde:
I = Entrega de corriente del ánodo, en A.
Ec = Potencial mínimo de protección, en V (de acuerdo con 8.2.1.3).
Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto, en V (ver tabla 1).
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo, se debe utilizar la ecuación
32 de esta norma.
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El tiempo de vida del ánodo galvánico, se determina con la expresión:
V = C×P×R×
U
.................................................................................. (2)
I
Donde:
C = Capacidad de corriente en A-año/kg.
P = Peso del ánodo en kg.
R = Rendimiento en porcentaje (tabla 1 de este documento).
U = Factor de utilización 0,85.
I = Entrega de corriente del ánodo en (A).
Metal anódico
Capacidad
corriente teórica
(A-año/kg)
Rendimiento
(en porcentaje)
Potencial a
circuito abierto
(V)
Zinc (Zn)
0,094
95
-1.1 vs
Cu/CuSO4
Aluminio (Al)
0,340
90
-1.03
vs
Ag/AgCl
Magnesio (Mg)
0.251
50
-1.78
vs
Cu/CuSO4
Tabla 1 Propiedades electroquímicas de ánodos galvánicos
8.2.2.2
8.2.2.2.1
Corriente de diseño para tuberías enterradas y lacustres
Área por proteger
A B = fπDL ........................................................................................... (3)
Donde:
AB = Área por proteger m2.
f = Factor de daño del recubrimiento, ver tabla 3.
π = 3,1416
D = Diámetro exterior, en m.
L = Longitud, en m.
8.2.2.3
Cálculo de la corriente necesaria
I=
A B × Id
............................................................................................. (4)
1000
Donde:
I = Demanda de corriente (A)
Id = Densidad de corriente en (mA/m²), ver tabla 2.
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Densidades de corriente y factor de daño del recubrimiento
Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 2, deben utilizarse los valores
reales de resistividad del suelo. Se pueden utilizar otros valores de densidad de corriente cuando éstos sean
determinados a partir de estudios de campo.
Resistividad del suelo
Ω-cm
Densidad de corriente
de diseño
mA/m2
> 10 000
11
1 000-10 000
22
< 1 000
35
Notas:
1.-Para líneas operando a temperaturas elevadas, los valores
de densidad de corriente se deben incrementar en un porcentaje
de 25, por cada 10 ºC que se incremente la temperatura de
operación por arriba de los 30°C.
2.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a
diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de mayor
conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
Tabla 2 Densidades de corriente diseño en mA/m2
La selección del factor de daño dado en la tabla 3, debe hacerse de acuerdo a la vida de diseño y tipo de
recubrimiento del ducto.
Vida de diseño en años
Tipo de recubrimiento
10
20
30
Epóxico adherido por fusión
0,01
0,04
0,09
Epóxico liquido
0,03
0,1
0,3
Tricapa Epoxico-Polietileno
0,001
0,004
0,009
Tricapa Epoxico-Polipropileno
0,001
0,004
0,009
Otros
0,03
0,1
0,3
Tabla 3 Factor (f) de daño por tipo de recubrimiento
8.2.2.5
Cálculo de la masa anódica requerida
W = I × D R × D L ..................................................................................... (5)
Donde:
W = Peso total de masa anódica requerida, en kg.
DR = Consumo del ánodo, en kg/A-año.
DL = Vida de diseño del sistema, en años.
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Consumo de ánodos
Magnesio
8,64 kg/A-año
(19 lb/A-año)
Aluminio
5,45 kg/A-año
(12 lb/A-año)
Zinc
11,3 kg/A-año
(25 lb/A-año)
Cálculo del número de ánodos requeridos
N=
W
............................................................................................... (6)
WA
Donde:
N = Número de ánodos requeridos
WA = Peso de cada ánodo, en kg.
8.2.2.8
Espaciamiento entre ánodos
S=
L
................................................................................................... (7)
N
Donde:
S = Espaciamiento, en m.
L = Longitud de la tubería por proteger, en m.
N = Número de ánodos requeridos.
8.2.2.9
Separación máxima de ánodos
Ductos terrestres y lacustres
0,304 m (12 pulg) D N y menores:
152,4 m
0,304 m (12 pulg) D N y mayores:
304,8 m
8.2.2.10 Separación entre la estructura por proteger y los ánodos – La separación de los ánodos a la
estructura por proteger debe ser de al menos 4,5 metros.
8.2.2.11 Distribución de ánodos – La cantidad determinada de ánodos de sacrificio, debe tener una
distribución uniforme, es decir que la longitud total del ducto se divide entre la cantidad de ánodos calculada,
con lo que se obtiene la separación entre ánodos, sin exceder lo indicado en 8.2.2.9 de esta norma.
8.2.3
Cálculo para el diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para ductos marinos
En agua de mar, deben emplearse ánodos base aluminio o zinc y sus respectivas aleaciones sin contenido de
mercurio, según se especifique y el diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos.
8.2.3.1 Area exterior superficial de la tubería a proteger – Se debe calcular el área de la superficie exterior
de la tubería a proteger.
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Los accesorios que se vayan a conectar eléctricamente al ducto, tales como ductos ascendentes, curvas de
expansión, interconexiones submarinas, deben incluirse en los cálculos del área.
8.2.3.2 Cálculo de demanda de corriente – La demanda de corriente media (Icm) y la demanda de corriente
final (Icf) se deben calcular por separado en función del área externa del ducto, de acuerdo con la siguiente
ecuación y considerar el tipo de recubrimiento para la selección del factor de daño.
Ic = A c f c i c ............................................................................................. (8)
Donde:
Ic = Demanda de corriente para una sección especifica del ducto, en A.
Ac = Área total de la superficie de una sección especifica del ducto, en m².
fc = Factor de daño del recubrimiento, calculado a condición media.
Ic = Densidad de corriente, en A/m², seleccionada a condición media.
Los factores de daño del recubrimiento (fc) consideran en forma anticipada la reducción de la densidad de
corriente de protección, debido a la aplicación de un recubrimiento aislante con características dieléctricas.
Cuando fc = 0 el recubrimiento es 100 porcentaje eléctricamente aislante, cuando fc = 1 implica que el
recubrimiento no tiene las propiedades de protección y la densidad de corriente catódica de una superficie
recubierta, es la misma que para una superficie de acero desnuda.
Para propósitos de diseño de la protección catódica, los factores de daño a condición media del recubrimiento
(fc) y final (ff), se deben calcular considerando la vida útil de diseño (tdl) del sistema:
El factor de daño a condición media del recubrimiento fc, está dado por la siguiente ecuación.
f c = fi + (0,5 ∆f t dl ) ................................................................................ (9)
El factor de daño a condición final del recubrimiento ff, está dado por la siguiente ecuación.
f f = fi + ( ∆f t dl ) ...................................................................................... (10)
Donde:
fi = Factor de daño inicial en el recubrimiento al inicio de la operación del ducto.
∆f = Incremento promedio anual del factor de daño en el recubrimiento.
Tdl = Vida de diseño, expresada en años.
Los parámetros para el cálculo de los factores de daño a condición media y final del recubrimiento, se muestran
en la tabla 4 (fi y ∆f), éstos aplican para calcular la demanda de corriente del ducto recubierto, durante y al final
de la vida de diseño, respectivamente.
Los factores de daño indicados en la tabla 4 son mínimos, no consideran daños mayores al recubrimiento que
generalmente se presentan durante la aplicación o instalación o daños producidos por terceros durante la
operación (por ejemplo, rayones producidos por cables de anclas), los cuales deben ser indicados en las bases
de diseño. En caso de que las bases de diseño no lo indiquen, tales daños se deben prever incrementando
proporcionalmente el factor de daño inicial (fi) hasta un 3% adicional al valor establecido en la tabla 4.
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Tipo de recubrimiento
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Factor fi
∆f
Epóxico en polvo adherido por fusión (FBE)
0,020
0,001
-Polietileno extruído tricapa (incluye primario FBE)
polietileno (PE) y polipropileno (PP).
0,005
0,0002
0.020
0.0001
-Cintas o mangas termocontráctiles
Otro tipo de recubrimientos
Nota: Los factores de daño en el recubrimiento, están referidos a ductos expuestos en agua de
mar y enterrados en el lecho marino.
Tabla 4 Factores de daño en recubrimientos anticorrosivos
Los parámetros de la densidad de corriente de protección que deben considerarse son:
a)
b)
c)
Inicial, se refiere a la densidad de corriente eléctrica inicial requerida para polarizar el ducto dentro de
los dos primeros meses de operación de la protección catódica.
Media, se refiere a la densidad de corriente necesaria para mantener la polarización de la tubería
durante su vida de diseño.
Final, es la densidad de corriente eléctrica necesaria para una eventual repolarización del ducto, que
puede ocurrir por ejemplo, después de una fuerte tormenta.
Para la selección de la densidad de corriente de diseño indicada en la tabla 5, deben utilizarse los valores de
temperatura de operación y condición de exposición del ducto.
Para ductos ascendentes en la zona de mareas y oleaje, la densidad de corriente debe ser igual a la densidad
de corriente del ducto marino (línea regular) más 0,01 A/m².
Condición
Temperatura de operación del ducto (oC)
de
< 50
50 - 80
80 - 120
> 120
Sumergido en agua
de mar
0,05
0,06
0,07
0,13
Enterrado en lecho
marino
0,02
0,025
0,03
0,04
exposición
Tabla 5 Densidad de corriente a condición media en A/m2
Se debe considerar como sumergido en agua de mar, al ducto ascendente y aquel que está instalado sobre el
lecho marino.
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8.2.3.3 Cálculo de la masa anódica - La masa neta total anódica requerida para mantener la protección
catódica a lo largo de la vida de diseño, debe calcularse, para cada sección de la tubería, de acuerdo con la
siguiente ecuación.
W=
Icm t dl 8760
................................................................................. (11)
uε
Donde:
W = Masa neta total anódica en kg para una sección especifica del ducto.
Icm = Demanda de corriente media en A, para una sección especifica del ducto.
tdl = Vida de diseño, en años. La protección catódica debe calcularse para cubrir todo el periodo de diseño
de la instalación.
ε = Capacidad electroquímica del material del ánodo, en A-h/kg. Para propósitos de diseño, los valores de
este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6.
u = Factor de utilización del ánodo.
Los ánodos de brazalete tipo medias cañas, deben diseñarse de manera que se logre un factor de utilización (u)
de por lo menos 0,80 y los ánodos de brazalete tipo segmentado su factor debe ser al menos de 0,75.
8.2.3.4 Cálculo del número de ánodos - La cantidad, dimensiones y la masa neta, deben determinarse para
satisfacer los requerimientos de corriente a condiciones media y final del ducto. Las dimensiones y masa neta
final de un ánodo, deben optimizarse realizando varias iteraciones con el uso de la siguiente formula:
W = n Wa ............................................................................................ (12)
Donde:
n
= Número de ánodos a ser instalados en una sección especifica del ducto.
W = Masa neta total del ánodo, en kg para una sección especifica del ducto.
Wa = Masa neta individual del ánodo, en kg.
La separación máxima entre ánodos, no debe ser mayor a 200,00 m.
La corriente de salida de un ánodo requerida al final de la vida de diseño (If), debe calcularse con la siguiente
ecuación. Se debe considerar la disminución del espesor del ánodo para la condición final.
If =
Icf
.................................................................................................. (13)
n
Donde:
= Corriente de salida requerida de un ánodo, al final de la vida de diseño, en A.
If
Icf = Demanda total de corriente para la protección de una sección especifica del ducto, al final de la vida
de diseño, en A.
n
= Número de ánodos a instalarse en una sección especifica del ducto.
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Inmerso en agua de mar
Tipo de ánodo
Temperatura
de operación
a
del ducto
o
C
Aluminio
Potencial del
ánodo
vs
Ag/AgCl
en agua de mar
mV
Capacidad
electroquímica
ε
A·h/kg
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Enterrado en el lecho marino
Potencial del
ánodo
vs
Ag/AgCl
en agua de mar
mV
Capacidad
electroquímica
ε
A·h/kg
≤ 30
-1 050
2 500
-1 000
2 000
60
-1 050
2 000
-1 000
850
80b
-1 000
900
-1 000
400
Notas:
a
Para temperaturas entre los límites establecidos, la capacidad de corriente se debe interpolar.
Tabla 6 Valores electroquímicos de diseño para ánodos galvánicos de aluminio
(Aleaciones Aluminio-Zinc-Indio)
Para un ánodo con tamaño y masa propuestos, la corriente de salida (real) actual de un ánodo al final de la vida
de diseño (Iaf), debe ser calculada por la siguiente ecuación:
Iaf =
Ec − Ea
......................................................................................... (14)
Ra
Donde:
Iaf = Corriente de salida actual (real) de un ánodo requerida al final de la vida de diseño, en A.
Ec = Potencial de diseño permisible para protección, expresado en V. El potencial mínimo y máximo de
protección del ducto/suelo marino, debe ser -0,900 V y -1,100 V de CD respectivamente, con
referencia a la celda de plata/cloruro de plata, cuando el ambiente circundante del ducto es
anaeróbico. Se utiliza el criterio de protección catódica de -0,800 V de CD con respecto a la celda de
referencia de plata/cloruro de plata, para una estructura de acero al carbono enterrada o sumergida,
para la condición de ausencia de bacterias anaeróbicas.
Ea = Potencial del ánodo a circuito abierto, expresado en V. Para propósitos de diseño con ánodos
galvánicos de aluminio, los valores de este parámetro electroquímico se indican en la tabla 6, de este
documento, en función de la temperatura y medio de operación de los ductos o subestructura de la
plataforma.
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω. Para el cálculo de la resistencia del ánodo en agua de mar al final de la
vida de diseño, se debe tomar en cuenta el factor de utilización.
Nota: Ec – Ea se refieren al diferencial del potencial (V).
Para proporcionar la demanda de corriente, la corriente de salida actual (real) del ánodo, debe ser mayor o igual
a la corriente de salida requerida:
Iaf ≥ If..................................................................................................... (15)
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8.2.3.5 Resistencia del ánodo - La resistencia de un ánodo de brazalete está en función de su geometría
original (sin desgaste) y de la resistividad de agua de mar o suelo (para el caso de ductos enterrados), para su
cálculo debe usarse la siguiente fórmula:
Ra =
0,315 ρ
A
....................................................................................... (16)
Donde:
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.
ρ = Resistividad del agua de mar o suelo, en Ω-cm.
A = Área de la superficie expuesta del ánodo, en m².
Los siguientes valores de resistividad del agua de mar y del suelo marino deben ser considerados:
a)
b)
Resistividad del agua de mar: 17 Ω-cm
Resistividad del lodo marino: 35 Ω-cm
8.2.3.6 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos
sea igual o mayor a la vida de diseño del ducto, usando la siguiente ecuación.
L=
Wu
.............................................................................................. (17)
E Icm
Donde:
L = Vida útil de los ánodos, en años.
W = Masa neta de los ánodos, en kg.
u = Factor de utilización del ánodo
E = Consumo del ánodo, en kg/A-año.
Icm = Demanda de corriente media, en A.
8.2.4 Diseño de la protección catódica con ánodos galvánicos para la subestructura de una plataforma
marina
El diseño de la protección catódica comprende los siguientes pasos.
8.2.4.1
a)
b)
División de la subestructura - Se debe dividir en las siguientes zonas:
Sumergida en agua de mar (incluye zona de mareas y oleaje).
Enterrada en suelo marino.
8.2.4.2 Cálculo de áreas - Para cada una de las zonas en que se divide la subestructura, se debe realizar el
cálculo de la superficie externa de los miembros tubulares que componen dichas zonas, considerando las
longitudes a paños entre elementos tubulares y piernas o ejes de la subestructura.
8.2.4.3 Demanda de corriente - La corriente eléctrica de diseño que el sistema de protección catódica debe
entregar para polarizar el área externa de los siguientes componentes, se debe calcular como se indica a
continuación:
a)
b)
Elementos tubulares sumergidos en el agua de mar.
Pilotes, piernas y conductores localizados por debajo de la línea de lodos.
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c)
d)
e)
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El área desnuda parcial de las tuberías de revestimiento de los pozos.
Tomas de agua de mar de bombas de contra incendio y servicios.
Plantillas de pozos y placa base de la subestructura de la plataforma.
En la tabla 7, se presentan los valores de densidades de corriente que deben considerarse en los diseños de
protección catódica de las partes antes mencionadas, que conforman la subestructura de las plataformas
marinas, estos valores corresponden a la densidad de corriente inicial, media y final.
Lugar
Golfo de México
Densidad de corriente
2
(A/m )
Condición
inicial
media
final
0,11
0,055
0,075
En agua de mar
0,03
0,02
0,01
En lecho marino
Tabla 7 Densidades de corriente en A/m2, para el diseño de protección catódica
en plataformas marinas
Debe incluirse la corriente de diseño requerida por las tuberías de revestimiento de los pozos localizadas por
debajo de la línea de lodos. Así mismo, se debe considerar corriente adicional para los pilotes localizados por
debajo de la línea de lodos, los valores a considerar por pilote y por tubería de revestimiento por pozo, se deben
calcular de acuerdo con la siguiente formula:
Ic = A c fc i c ........................................................................................... (17)
Donde:
Ic = Demanda de corriente para cada una de las zonas de la subestructura, en A.
Ac = Área externa de cada una de las zonas de la subestructura, en m².
fc = Factor de daño del recubrimiento, solo para el caso de la zona de mareas y oleaje.
ic = Densidad de corriente para la condición inicial, media y final, en mA/m².
Nota: Dichos valores deben estar en el rango de 1,5 a 5,0 A.
Para el caso de la zona sumergida, se debe considerar la demanda de corriente para el área externa de cada
uno de los conductores de los pozos en contacto con el agua de mar. También, se debe considerar el área
sumergida de camisas de succión de bombas, atracaderos, defensas y abrazaderas de ductos ascendentes.
8.2.4.4 Selección de las características de los ánodos de sacrificio - Como una primera aproximación, se
seleccionan las características de un ánodo como son; longitud, sección transversal, masa neta, capacidad de
corriente, potencial a circuito cerrado (ánodo-agua de mar).
Para el caso de las plataformas marinas, en cuales se utilizan ánodos de sección trapezoidal, se debe calcular
un radio equivalente utilizando la siguiente ecuación:
⎛c⎞
r = ⎜ ⎟π .............................................................................................. (18)
⎝2⎠
Donde:
c = Perímetro de la sección transversal del ánodo en cm.
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8.2.4.5 Corriente de salida del ánodo - La corriente de salida por ánodo, cuando la subestructura ha sido
instalada en el sitio (condición inicial), se debe considerar de acuerdo con:
I=
E
R
(Ley de Ohm) .......................................................................... (19)
Donde:
I = Corriente de salida de un ánodo, en A.
R = Resistencia de ánodo-electrolito, en Ω.
E = Diferencial de potencial, en V.
8.2.4.6
Cálculo de la resistencia inicial del ánodo
La resistencia del ánodo está en función de su geometría original y de la resistividad del agua de mar o del
suelo, y se calcula con la siguiente formula:
R
a
=
⎞
0 . 159 ρ ⎛
⎛ 4L ⎞
⎜⎜ 2 . 3 Log ⎜
⎟ − 1 ⎟⎟
L
r
⎝
⎠
⎝
⎠
....................................................... (20)
Donde:
Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.
ρ = Resistividad del electrolito (agua de mar), en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en cm.
r = Radio equivalente del ánodo, en cm.
Para los valores de resistividad del agua de mar, deben considerarse los indicados en 8.2.3.5.
Mientras que el diferencial de potencial, se calcula por:
E = Ec – Ea ........................................................................................... (21)
Donde:
E = Diferencial de potencial.
Ec = Potencial de protección permisible.
Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto.
La corriente inicial de salida de un ánodo, se calcula con:
Ia =
Ec − Ea
........................................................................................... (22)
Ra
8.2.4.7 Número de ánodos requeridos por corriente inicial - Una vez que se conocen, la demanda y la
salida de corriente iniciales de un ánodo, se puede obtener el número de ánodos requeridos a partir de la
siguiente expresión:
N =
Ii
I a .................................................................................................. (23)
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Donde:
N = Número de ánodos requeridos por corriente inicial.
Ii = Demanda de corriente inicial, en A.
Ia = Corriente de salida de un ánodo, en A.
8.2.4.8 Determinación del número de ánodos por masa para condición media - Para determinar el
número de ánodos para satisfacer la condición de demanda de corriente media, se determina el número de
ánodos con la siguiente formula:
Nm =
ICM L 8760 ...................................................................................... (24)
εw
Donde:
Nm = Número de ánodos.
ICM = Demanda media de corriente, en A.
L = Vida de diseño, en años.
ε = Capacidad de corriente del ánodo, en A-h/kg.
w = Peso del ánodo seleccionado.
8.2.4.9 Determinación del número de ánodos para condición final - El número de ánodos para satisfacer
la demanda de corriente final, se determina de manera similar que para la condición inicial, excepto que para
calcular la resistencia del ánodo se utiliza el radio reducido (rconsumido) por el desgaste del ánodo al final de su
vida útil, empleando la siguiente ecuación:
rconsumido = rinicial – (rinicial – r alma) U....................................................... (25)
El número de ánodos requeridos para la condición de corriente final se calcula como:
N =
If
.................................................................................................. (26)
Ia
Donde:
N = Número de ánodos requeridos por corriente final.
If = Demanda de corriente final, en A.
Ia = Corriente de salida de un ánodo, A.
Aplicando la misma secuencia de los conceptos de 8.2.4.2 al 8.2.4.8 de este documento, se determina el
número de ánodos para zona enterrada en suelo marino, para la condición de demanda de corriente inicial,
media y final tomando en consideración lo siguiente:
Mientras que para el caso de los pilotes y placa base (área de ambas caras de la placa), se debe considerar su
área externa multiplicada por las densidades de corriente, para el acero desnudo enterrado bajo el fondo del
mar, conforme a los valores de las densidades de corriente indicados en la tabla 7 de este documento.
8.2.4.10 Factores de daño del recubrimiento - El sistema de protección catódica para la zona de mareas y
oleaje, debe proteger las áreas no cubiertas por el sistema de recubrimiento anticorrosivo.
Se debe considerar un factor de daño del recubrimiento debido principalmente a daños mecánicos a la
estructura y a una velocidad de deterioro del recubrimiento a consecuencia de los efectos de la erosión del
oleaje sobre el recubrimiento.
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El factor de daño del recubrimiento está en función de las propiedades del recubrimiento, de los parámetros
operacionales y del tiempo. El resultado de la densidad de corriente eléctrica para la protección de aceros
recubiertos en la zona de mareas y oleaje, es por consiguiente igual al producto de la densidad de corriente
eléctrica para el acero desnudo y el factor de daño del recubrimiento.
Para propósitos de diseño de la protección catódica en la zona de mareas y oleaje, el factor de daño medio y
final es calculado con las siguientes expresiones, las cuales involucran la vida de diseño de la plataforma.
f c (promedio ) = k 1 +
k 2T
...................................................................... (27)
2
f c ( final) = k 1 + k 2 T ................................................................................ (28)
Donde:
k1 = 0,02
k2 = 0,015
T = Vida de diseño de la plataforma.
Considerando los valores de k1 y k2 indicados y tomando una vida útil de 20 años, los factores de daño del
recubrimiento, deben ser como mínimo los siguientes valores:
fi (inicial)
= 5 porcentaje
fc (promedio) = 17 porcentaje
ff (final)
= 30 porcentaje
8.2.4.11 Cálculo de la vida útil de los ánodos - Se debe verificar que la vida útil de los ánodos galvánicos
sea igual o mayor a la vida de diseño de la estructura. La vida útil del sistema puede calcularse con la siguiente
expresión:
L=
W U
E Im
................................................................................................ (29)
Donde:
L = Vida útil de ánodos, en años.
W = Masa de ánodos, en kg.
U = Factor de utilización del ánodo 0.85.
Im = Requerimiento de corriente media, en A.
E = Rango de consumo de material anódico, en kg/ A-año.
8.2.4.12 Determinación del número optimo de ánodos - Una vez determinado el número de ánodos para
las condiciones: Inicial, media y final, se procede mediante iteraciones (variando las dimensiones del ánodo
propuesto y verificando su capacidad de corriente y potencial) a determinar el número de ánodos; de tal manera
que los resultados para las tres condiciones anteriores, tiendan a ser iguales.
8.2.4.13 Distribución de ánodos - Los ánodos de sacrificio tienen un radio de acción dentro del cual la
protección de la estructura es eficiente, por esta razón una vez calculado el número de ánodos, es necesario
repartirlos en la estructura, de manera que se tenga una distribución uniforme y simétrica, se deben colocar
ánodos en la cercanía de la zona de conductores y placa base, ver figura 12.1.11 y 12.1.12 de este documento.
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8.2.5
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Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica con corriente impresa.
Para el diseño de un sistema de corriente impresa, se deben considerar los puntos siguientes:
Selección de la capacidad de la fuente de energía, la intensidad de corriente es un dato conocido, pues se
refiere a la corriente de protección que se ha determinado, por lo general, mediante pruebas de requerimiento
de corriente o considerando los valores de la tabla 2.
8.2.5.1 Tensión de salida en el rectificador - El voltaje de salida en el rectificador se calcula con la
ecuación:
V = R t × I .............................................................................................. (30)
Donde:
V = Voltaje (CD) de salida del rectificador, (V).
Rt = Resistencia total del circuito, (Ω)
I = Intensidad de corriente requerida,(A).
La resistencia total del circuito, Rt es igual a:
R t = R c + R e + R g ó R h ......................................................................... (31)
Donde:
Rc = Resistencia de los cables del circuito, se calcula conociendo el calibre y longitud de los cables.
Re = Resistencia de contacto a tierra de la estructura por proteger. Su valor puede obtenerse directamente
en campo y es igual al cambio de potencial en la estructura, obtenido con la corriente de prueba,
dividido entre dicha corriente.
Rg = Resistencia del dispositivo de tierra o cama anódica, puede ser Rv o Rh y es la que tiene mayor
influencia en el valor de Rt.
8.2.5.2
Resistencia de un ánodo en posición vertical con relleno
Rv =
0.00159ρ ⎛
8L ⎞
− 1⎟ ............................................................ (32)
⎜ 2.3 log
L
d
⎝
⎠
Donde:
Rv = Resistencia de un ánodo vertical a tierra, en Ω
ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
8.2.5.3
Resistencia de varios ánodos en posición vertical
Rv =
2L
8L
0.00159ρ ⎛
⎞
− 1+
2.3 log 0.656N ⎟ ...................................... (33)
⎜ 2.3 log
S
d
NL
⎝
⎠
Donde:
Rv = Resistencia de la cama anódica en posición vertical, conectados en paralelo, en Ω.
ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
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S = Espaciamiento entre ánodos, en m.
N = Número de ánodos en paralelo.
Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de
mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
8.2.5.4
Resistencia de un ánodo en posición horizontal
Rh =
0.0015ρ
4L2 + 4L S 2 + L2 S
S 2 + L2
2.3 log
+ −
− 1 ................................... (34)
L
dS
L
L
Donde:
Rh = Resistencia de la cama anódica en posición horizontal, conectados en paralelo, en Ω
S = Dos veces la profundidad del ánodo, en m.
ρ = Resistividad del material de relleno o del terreno donde se alojara el ánodo, en Ω-cm.
L = Longitud del ánodo, en m.
d = Diámetro del ánodo, en m.
Nota.-Se deben tomar mediciones de la resistividad del suelo a diferentes profundidades, a fin de localizar la zona de
mayor conductividad, en la que deben ser alojados los ánodos.
8.2.5.5
Separación entre la estructura por proteger y los ánodos
La separación de los ánodos a la estructura por proteger, debe ser una distancia eléctricamente remota o tierra
remota. Esta distancia puede determinarse con una serie de lecturas entre la estructura por proteger y una
media celda de Cu/CuSO4 tomadas a intervalos conocidos alejándose de la estructura. En el punto donde ya no
se tengan cambios significativos en el potencial, se considera como tierra remota. A menos de que existan
causas de fuerza mayor, esta distancia no debe ser menor de 50 m.
8.2.5.6
Capacidad del transformador
La capacidad del transformador se calcula con la siguiente ecuación:
C=
V . I
(kVA ) .................................................................................. (35)
1000
Donde:
C = Capacidad del transformador, (kVA).
I
= Intensidad de corriente (CD) del rectificador (A).
V = Voltaje (CD) del rectificador (V).
8.2.5.7 Caseta - La fuente de energía seleccionada para un sistema de protección catódica, por seguridad,
debe contar con una caseta de protección y sus características las debe marcar el proyecto.
8.2.5.8 Subestación eléctrica - Se debe seleccionar, considerando las características de la línea de
distribución eléctrica más cercana a la estructura por proteger.
El diseño debe cumplir con 8.4.1 y 8.6.1 de la NRF-048-PEMEX-2003.
El diseño de los sistemas de conexión a tierra debe cumplir con la NRF-070-PEMEX-2004
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Una subestación eléctrica tipo poste consiste básicamente de:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
8.2.5.9
a)
b)
c)
d)
e)
f)
8.3
Transformador.
Corta circuitos fusibles de potencia.
Apartarrayos.
Sistema de tierras.
Herrajes y cables.
Poste.
El sistema en baja tensión debe contar con:
Acometida
Interruptor termo magnético
Apartarrayos
Sistema de tierra del rectificador.
Equipo de monitoreo (horómetro) y registro continuo local, de condiciones de operación.
Rectificador
Materiales
Los materiales usados en los sistemas de protección catódica, deben cumplir con las especificaciones que aquí
se indican y con los establecidos en los documentos normativos referidos o citados en esta norma.
8.3.1
Almacenamiento y transporte
Los materiales usados deben ser almacenados a cubierto. En lugares donde el tránsito de personas y vehículos
sea mínimo para reducir la posibilidad de daños y donde no puedan ser contaminados por sustancias, que
alteren sus condiciones de aplicación.
8.3.2
Materiales para sistemas de ánodos galvánicos
En sistemas de ánodos galvánicos en tierra, se debe usar un material de relleno (ver tabla 8) con las
características que a continuación se indica.
Material
Peso en porcentaje
Yeso seco en polvo
75
Bentonita seca en polvo
20
Sulfato de sodio anhidro
5
Agua para saturar la mezcla
-
Cantidad de relleno por ánodo:
Peso del ánodo
Cantidad de relleno
kg
(lbs)
kg
(lbs)
7,72
(17)
13,62
30
14,53
(32)
15,89
35
21,79
(48)
23,61
52
Tabla 8 Características del material de relleno para ánodos galvánicos
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8.3.2.1 Ánodos de magnesio - Los ánodos de magnesio usados en sistemas de protección catódica con
ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-110-PEMEX-2003.
El conductor soldado al ánodo debe ser de cobre electrolítico, sólido (alambre), calibre 12 AWG, con
aislamiento de doble forro de polietileno negro de alto peso molecular para 600 V, 75 °C y cubierta negra de
PVC.
8.3.2.2 Ánodos de zinc - La composición química de los ánodos de zinc (ver tabla 9), usados en sistemas de
protección catódica con ánodos galvánicos, debe de cumplir con lo indicado para una aleación tipo II en la tabla
1 de la especificación ASTM B 418-01, o equivalente, con la exactitud para el zinc que aquí se indica.
a)
Composición química:
Elemento
Contenido
Aluminio (Al)
0,005 máx.
Cadmio (Cd)
0,003 máx.
Hierro (Fe)
0,0014 máx.
Plomo (Pb)
0,003 máx.
Cobre (Cu)
0,002 máx.
Zinc (Zn)
Mínimo 99,9856
Tabla 9 Composición química de ánodos de zinc
(Valores en porcentaje en peso)
Las propiedades electroquímicas de los ánodos de Zinc deben de cumplir con lo que se indica a continuación,
ver tabla 10.
b)
Propiedades electroquímicas.
Propiedad
Valor
Eficiencia
95 % Mínimo
Potencial
-1,10 V (Cu/CuSO4) (máx.)
Capacidad de drenaje
de corriente
780 A-h/kg (mín).
Tabla 10 Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc
8.3.2.3 Ánodos de aluminio - Los ánodos de aluminio usados en sistemas de protección catódica con
ánodos galvánicos, deben de cumplir con la NRF-126-PEMEX-2005.
8.3.3
Materiales para sistemas de corriente impresa
Relleno para ánodos inertes - En estos casos se usa como material de relleno carbón de coque pulverizado.
Siempre que se justifique, se puede utilizar materiales diferentes o nuevas tecnologías que demuestren
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proporcionar al ánodo mejores condiciones para su operación y seguridad, en los diferentes medios
contemplados en esta norma.
8.3.3.1 Ánodos de ferro-silicio-cromo - La composición química de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver
tabla 11, usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, debe de cumplir con lo indicado
para una aleación grado 3 en la tabla 1 de la especificación ASTM A518/A 518M-99, o equivalentes. Esta
composición química se indica a continuación.
a)
Composición química:
Elemento
Contenido
Carbón (C)
0,70 – 1,10
Manganeso (Mn)
1,50 máx.
Silicio (Si)
14,20 – 14,75
Cromo (Cr)
3,25 – 5,00
Molibdeno (Mo)
0,20 máx.
Cobre (Cu)
0,50 máx.
Hierro (Fe)
76.95 – 81.85
Tabla 11 Composición química de ánodos de ferro-silicio-cromo
(valores de peso en porcentaje)
Las propiedades de los ánodos de ferro-silicio-cromo ver tabla 12, deben cumplir con lo que se indica a
continuación.
b)
Propiedades:
Propiedad
Valor
Peso específico
7000 kg/m3 ± 0,5%
Consumo
aproximado
0,25 – 1 kg/A-año
Densidad de corriente
máxima recomendada
(A/m2)
Suelo
60
Tabla 12 Propiedades de ánodos de ferro-silicio-cromo
8.3.3.2 Ánodos de grafito - La composición química y propiedades de los ánodos de grafito ver tabla 13,
usados en sistemas de protección catódica con corriente impresa, deben de cumplir con lo indicado a
continuación.
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a)
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Composición química:
Elemento
Contenido
Impregnante
6,6 máx.
Ceniza
1,5 máx.
Humedad y volátiles
0,5 máx.
Materia soluble en agua
1,0
Grafito
90,4 Mínimo
Tabla 13 Composición química de ánodos de grafito
(Valores en porcentaje en peso)
b)
Propiedades:
Propiedad
Valor
Peso específico
1560 kg/m3 Mínimo
Consumo
0,1 – 1 kg/A-año
Densidad de corriente
máxima recomendada
(A/m2)
Suelo
10
Tabla 14 Propiedades de los ánodos de grafito
Los ánodos de grafito deben ser tratados con ceras o resina fenólica y con conexión al centro.
Conductores eléctricos - Los calibres y tipos de forro de los conductores eléctricos que intervienen en un
sistema de protección catódica, deben seleccionarse de acuerdo a la resistencia y capacidad de conducción de
corriente, que requieran.
El tipo de aislamiento de los cables anódico y catódico deben ser de doble forro de polietileno negro de alto
peso molecular tipo HMWPE con aislamiento mínimo de 600 V y una cubierta de PVC negra.
8.4
Instalación y pruebas
La figura 12.1.6 muestra un arreglo típico de un sistema de protección terrestre a base de ánodos galvánicos.
8.4.1
8.4.1.1
a)
b)
c)
Instalación para sistemas con ánodos galvánicos
Instalación y conexión de ánodos galvánicos
Los ánodos galvánicos deben alojarse en agujeros con dimensiones tales que permitan que el ánodo
quede cubierto por una capa de material de relleno, con un espesor mínimo de cinco centímetros en su
periferia.
El cable de los ánodos debe soldarse a la estructura por proteger.
La colocación de los ánodos de sacrificio tipo brazalete para protección de tuberías sumergidas
(marinas), debe hacerse removiendo el revestimiento de concreto, dejando una cavidad de longitud
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aproximada al ancho del brazalete, con una tolerancia máxima de un centímetro y procurando no dañar
el recubrimiento anticorrosivo. En caso de que ocurra algún daño, dicha protección debe resanarse o
restituirse.
d) El brazalete debe colocarse sobre el recubrimiento anticorrosivo por el procedimiento que el proyecto
indique.
e) En el caso de líneas submarinas no deben instalarse ánodos de brazalete en las juntas de campo.
f)
Para fines de rehabilitación de la protección catódica en líneas submarinas en operación, se deben
considerar ánodos tipo trapezoidal para ser instalados en línea regular y tipo brazalete en ducto ascendente
8.4.2
Instalación para sistemas de corriente impresa
8.4.2.1
Fuentes de energía - La fuente de energía debe contar con los elementos necesarios para medir y
controlar voltaje y amperaje, pueden ser accionadas por corriente alterna, celdas solares, generadores de
combustión interna, eólicos o por medios térmicos:
a)
b)
Corriente alterna, (cuando aplique).
Corriente directa.
8.4.2.2
Camas anódicas - La figura 12.1.7 muestra un arreglo típico de un sistema de protección a base de
corriente impresa.
8.4.2.3
Instalación y conexión de ánodos para corriente impresa - Para un sistema de protección
mediante corriente impresa, la colocación de los ánodos debe hacerse de acuerdo a lo indicado en la ingeniería
del proyecto, en cuanto a la localización para su instalación y separación entre los ánodos.
8.4.2.3.1
El circuito del sistema de protección, sobre todo cuando protege más de un ducto, debe ser capaz
de controlar la corriente drenada por ducto, de tal forma que solo se suministre a cada ducto la corriente
necesaria para alcanzar alguno de los criterios de protección indicados en 8.2.1.3, lo cual puede lograrse
colocando resistencias variables como se muestra en las figuras 12.1.7 y 12.1.8, o mediante alguna otra forma
de conexión o dispositivo que cumpla para este fin y se debe instalar entre los ductos a proteger y el rectificador
de corriente.
8.4.2.3.2
Opcionalmente, los ánodos pueden ser conectados individualmente en una caja de conexiones a
través de una resistencia variable, como se muestra en las figuras 12.1.7 y 12.1.8. Cuando se opte por usarla,
la caja de conexiones con resistencias variables se debe instalar entre el rectificador y la cama de ánodos. La
colocación de los ánodos debe hacerse de acuerdo a lo indicado en el proyecto.
8.4.3
Instalación y pruebas comunes a ambos sistemas de protección
Previo a la aplicación de cualquier tipo de soldadura se debe medir el espesor del ducto para confirmar que se
encuentre dentro del espesor permisible.
8.4.3.1 Medición de potenciales – Estas mediciones deben hacerse con voltímetros o multímetros digitales
con las siguientes características mínimas:
a)
b)
c)
d)
Impedancia de entrada de 10 MΩ.
Exactitud de ± 1 porcentaje +1.
Sensibilidad de 2 V.
Resolución de 0,0001 V.
Adicionalmente, los voltímetros o multímetros, deben ser calibrados por un laboratorio acreditado ante “ema”.
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Los electrodos de referencia que deben usarse en trabajos de protección catódica se describen en 5.8.1 de la
NOM-008-SECRE-1999.
Conexión del voltímetro para la medición del potencial estructura–medio (electrolito) ver figura 12.1.16
Los electrodos de referencia que deben usarse en trabajos de protección catódica están descritos en 5.8.1 de la
NOM-008-SECRE-1999, siendo los siguientes:
a)
b)
c)
Cobre / Sulfato de cobre saturado (Cu/CuSO4 saturado).
Plata (Ag) / cloruro de plata (AgCl).
Calomel (Hg2Cl2) saturado con cloruro de potasio (KCl).
8.4.3.2 Medición de la resistividad – Se debe medir la resistividad del electrolito conforme a lo indicado en
ASTM G57-95a-2001, o equivalente en donde se localizará el sistema de protección catódica y los valores
obtenidos, deben ser usados para el diseño del mismo.
8.4.3.3
Clasificación de medios corrosivos en función de su resistividad
La corrosividad de un terreno, debe ser clasificada conforme a lo indicado en la tabla 15, como sigue.
Resistividad del suelo (Ω cm)
Corrosividad del suelo
0
–
1,000
Altamente corrosivo
1,001
–
5,000
Corrosivo
5,001
–
10,000
10,001
–
en adelante
Poco corrosivo
Muy poco corrosivo
Tabla 15 Corrosividad de suelos
8.4.3.4
Aislamiento de las conexiones - Las conexiones deben ser aisladas con resina epóxica líquida,
vertida en un molde desechable.
8.4.3.5 Conexión por aluminotermia - La soldadura por aluminotermia se debe emplear en las conexiones
siguientes:
a)
b)
c)
Entre el elemento de medición del poste de registro y amojonamiento y la estructura por proteger.
Entre el cable catódico y la estructura por proteger.
En puenteos.
A las soldaduras efectuadas por el procedimiento de aluminotermia se les debe aplicar una “carga”. La cual
debe estar en función del calibre del conductor, según lo indica la tabla 16 de este documento.
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Calibre del
conductor
No.
Tamaño en mm2
(designación o calibre
del cable)
Carga No.
14
2,08 (14)
15
12
3,31 (12)
15
10
5,26 (10)
15
8
8,37 (8)
15
6
13,3 (6)
15
4
21,2 (4)
25
2
33,6 (2)
25
1
42,4 (1)
32
1/0
53,5 (1/0)
45
2/0
67,4 2(/0)
65
Tabla 16 Calibre de conductor y carga para soldadura por aluminotermia
8.4.3.6
Soldadura eléctrica - Para la fijación de ánodos que cuenten con alma o soportes metálicos, el
alma o soporte, debe soldarse a la estructura por proteger, de acuerdo al código AWS D1.1/D1.1M 2004, o
equivalente y la calificación de los soldadores conforme a la NRF-020-PEMEX-2005.
8.4.3.7
Postes de señalamiento y registro - Los postes deben contener los requerimientos mínimos
especificados en las figs. 12.1.1 a la 12.1.5, pero se aceptan postes con diferente configuración y materiales,
siempre y cuando cumplan con la función, requerimientos de identificación, resistencia y durabilidad.
Los postes debe ser instalados estratégicamente donde se registren los valores de potencial mas representativo
como: antes y después de cuerpos de agua, vías de comunicación, zonas de interfase, cruce con líneas de alta
tensión, cruces con vías de tren, cruce con otros ductos o estructuras metálicas, en terrenos con presencia de
bacterias sulfatoreductoras, en zonas urbanas a una distancia no mayor a 500 metros y en zonas rurales de
acuerdo a lo que se indica en los incisos a, b y c de este numeral.
a)
b)
c)
8.4.3.8
Poste tipo “R”
Se deben instalar con espaciamiento máximo de 1 kilómetro, a lo largo de la(s) tubería(s) por proteger,
o donde lo indique el proyecto.
Poste tipo “RA”
Se deben instalar con espaciamiento máximo de 5 km, a lo largo de la(s) tubería(s) por proteger, o
donde lo indique el proyecto.
Poste de puenteo eléctrico entre ductos que se cruzan
Se debe interconectar mediante una resistencia conocida a dos ductos que se cruzan y poder registrar
sus niveles de protección catódica (ver figuras 12.1.2 y 12.1.4 de este documento). Estos postes
pueden ser “R” o “RA”.
Aislamiento y parchado
El resane y aislamiento de la conexión a la estructura por proteger, debe hacerse con materiales dieléctricos
compatibles con el recubrimiento original de la estructura.
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Aislamientos eléctricos
Los aislamientos eléctricos deben ser instalados durante la construcción de la línea, de acuerdo con el diseño.
Para el suministro e instalación de las juntas aislantes, se debe cumplir con 8.6 de la NRF-096-PEMEX-2004
8.4.3.10 Pruebas - Una vez construido el sistema de protección catódica, debe obtenerse un perfil de
potenciales a intervalos cercanos encendido-apagado (on-off) a todo lo largo de la tubería, para verificar que se
cumpla con alguno de los criterios de protección establecidos en esta norma.
8.5
Inspección y mantenimiento
Con el propósito de proteger adecuadamente las estructuras que cuentan con sistemas de protección catódica,
es obligación del área encargada del sistema de establecer, implementar y cumplir un programa para la
inspección y mantenimiento de los componentes del sistema, solicitando los recursos necesarios para éste fin,
en los tiempos y formas indicados en esta norma.
8.5.1
Inspección
8.5.1.1 Inspección de ductos submarinos - La inspección de ductos submarinos debe cumplir con lo
indicado en 8.1 y la tabla 1 de la NRF-014-PEMEX-2006, (ver figura 12.1.15).
8.5.1.1.1 Inspección de fuentes de energía no controladas remotamente - En los sistemas con corriente
impresa, las fuentes de energía no controladas en forma remota, se deben inspeccionar cada 30 días máximo o
antes si las condiciones lo requieren, para asegurar su operación continua.
En las zonas donde se presenten actos vandálicos recurrentes y regiones conflictivas, las inspecciones deben
realizarse cada semana.
Durante la inspección realizar las mediciones siguientes:
a)
b)
c)
El voltaje y la corriente alterna de alimentación.
El voltaje y la corriente directa aplicado a la estructura protegida.
El potencial estructura-electrolito en el punto de drenaje.
8.5.1.1.2 Inspección de sistemas con supervisión a control remoto - Los sistemas con supervisión a
control remoto, deben inspeccionarse al menos seis veces al año. Si el sistema de transmisión de datos llegara
a interrumpirse por un tiempo mayor a un mes, la frecuencia de inspección es la indicada para los no
controlados.
En ambos casos se deben de llevar registros mensuales de las condiciones de operación, de cualquier ajuste
de las variables mencionadas, así como el cálculo de la eficiencia de la fuente de energía y de la resistencia de
circuito calculada con los parámetros de corriente directa.
8.5.1.1.3 Inspección de camas de ánodos inertes - Las camas de ánodos inertes, se deben inspeccionar
como mínimo una vez al año.
Cuando existan conexiones individuales para cada ánodo la inspección se debe realizar mediante medición
directa de corriente. En caso contrario, se usará la medición de potencial sobre cada ánodo.
8.5.1.1.4 Levantamiento de potenciales a intervalos cercanos - Se debe realizar un levantamiento de
potenciales a intervalos cercanos (CIS) encendido-apagado, máximo cada 5 años o cuando se modifique el
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sistema de protección catódica, para verificar que el nivel de protección cumple con los criterios establecidos en
este documento.
8.5.1.1.5 Perfil de potenciales - Se debe levantar un perfil de potenciales de la estructura completa con las
frecuencias indicadas a continuación:
a)
b)
c)
Para ductos terrestres, al menos cada seis meses donde la tubería se encuentre en clases de
localización 1 y 2, y cada tres meses para clase de localización 3 y 4.
Para ductos marinos en línea regular (no incluye ducto ascendente), debe ser cada cinco años como
máximo.
Para ductos ascendentes, subestructuras de plataformas marinas, cada tres años como máximo.
8.5.1.1.6 Recubrimiento anticorrosivo del ducto - Se debe de realizar una inspección del recubrimiento
anticorrosivo en las zonas donde se tengan indicios de una falla masiva del recubrimiento por medio de técnicas
como los gradiente de voltaje de corriente directa (DCVG), métodos inductivos o conductivos, con la finalidad de
detectar si existen fallas y en su caso repararlas para hacer más eficiente el sistema de protección catódica.
Se deben llevar registros del estado del recubrimiento anticorrosivo de la estructura por proteger, cada vez que
se tenga la oportunidad de verificar visualmente la estructura, registrando la ubicación del punto y las
condiciones en que éste se encuentre, para lo cual se debe contar con un formato específico para este fin.
De aquellos ductos que se inspeccionen con equipo instrumentado, se debe revisar el informe de la inspección
para comprobar que las pérdidas de metal exterior, no sean causadas por fallas en el sistema de protección
catódica o del recubrimiento dieléctrico y en su caso tomar las medidas correctivas necesarias.
8.5.1.1.7 Levantamiento de perfil de resistividades.- Cada 10 años se debe realizar el levantamiento del
perfil de resistividades del suelo a lo largo del derecho de vía.
8.5.1.2
Mantenimiento
8.5.1.2.1 Rectificador, dispositivos de protección y conexiones eléctricas - Las conexiones eléctricas
tanto internas del rectificador como las de alimentación de corriente alterna o de cualquier fuente de energía de
corriente directa, se deben limpiar, ajustar y proteger una vez al año, para mantener bajas resistencias de
contacto y evitar sobrecalentamiento. Cualquier defecto en los componentes del sistema debe de eliminarse o
corregirse.
8.5.1.2.2 Fuente de energía - Cuando se requiera, debe aplicarse recubrimiento anticorrosivo a la cubierta de
las fuentes de energía, transformador de la subestación eléctrica y a todas las partes metálicas de la
instalación.
8.5.1.2.3 Caseta – Cada dos años se debe aplicar recubrimiento a la caseta y componentes de la misma; así
como su rotulación.
8.5.1.2.4 Postes de registro y conexión eléctrica ducto-poste - Los postes de registro R y RA, deben
rehabilitarse cada vez que se detecte que están desconectados, derribados o fuera de la vertical y pintarse
cada 2 años, de acuerdo con las especificaciones del anexo 12.
8.6
Documentación y Registros
El contratista y/o proveedor debe presentar los siguientes documentos:
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Organismos Subsidiarios
DISEÑO, INSTALACIÓN Y
MANTENIMIENTO DE LOS
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
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8.6.1 Informe de resultados de pruebas de la composición química de los ánodos, emitido por un laboratorio
acreditado ante “ema” o su equivalente del país de origen.
8.6.2 Dictamen o informe de calibración vigente, de los equipos de medición de tensión y corriente, emitido
por un laboratorio acreditado ante “ema” o su equivalente del país de origen.
8.6.3 Informe de resultados de prueba sobre eficiencia, capacidad de drenaje de corriente, potencial de
circuito abierto y peso específico, emitido por un laboratorio con reconocimiento de la legislación mexicana.
8.6.4
Adicionalmente se deben llevar los registros y documentos indicados a continuación:
8.6.4.1 Historial del sistema de protección catódica durante el periodo del contrato, interacción con estructuras
y sistemas de otras dependencias.
8.6.4.2 Registros de las actividades y trabajos realizados durante el periodo del contrato (funcionalidad del
sistema de protección catódica, modificaciones al sistema original, reparación o reemplazo de algún
componente del sistema de protección catódica y estudios especiales).
9.
RESPONSABILIDADES
9.1
Del contratista, proveedor y/o prestador de servicios
Cumplir con los requisitos establecidos de esta norma.
9.2
De Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios
Verificar el cumplimiento de esta norma en el ámbito de competencia de Petróleos Mexicanos.
10.
CONCORDANCIA CON NORMAS NACIONALES O INTERNACIONALES
Esta norma concuerda parcialmente con la NOM-008-SECRE-1999 y con las ISO 13174, 15589-1 y 2.
11.
BIBLIOGRAFÍA
11.1
ASTM G57-95a- 2001 - “Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the
Wenner Four-Electrode Method”
11.2
ASTM A518/A 518M-992001 - “Standard Specification for Corrosion Resistant High-Silicon Iron
Castings”
11.3
ASTM B 418-012001 - “Standard Specification for cast and Wrought Galvanic Zinc Anodes”
11.4
AWS D1.1/D1.1 M 20042001 - “Structural Welding Code-Steel”
11.5
A.W. Peabody, “Control of Pipeline Corrosion”, 2a edición, 1967, NACE
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MANTENIMIENTO DE LOS
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11.6
BS EN 12495:2000 - “Cathodic Protection for Fixed Offshore Structures”.
11.7
DNV-RP-F103 Cathodic Protection of Submarine Pipelines by Galvanic Anodes
11.8
Especificación P 2.0413.01 de Pemex Exploración y Producción, “Sistemas de protección catódica”
11.9
Especificación P. 3.413.01 de Pemex Exploración y Producción, “Instalación de sistemas para
protección catódica”
11.10
J. Morgan, Cathodic Protection, 2a edición, 1993, NACE
11.11
Javier Ávila, Joan Genescá, Más allá de la Herrumbre, Fondo de Cultura Económica
11.12 L.L. Shreir, R.A. Jarman, G.T. Burstein, Corrosion, Volumen 2, Corrosion Control, 1995, Butterworth
Heinemann
11.13 NACE TM0497-20022001 - “Measurement techniques related to criteria for cathodic protection on
underground or submerged metallic piping systems”
11.14
NACE RP0502-20022001 - “Pipeline external corrosion direct assessment methodology”
11.15 NACE RP-0169-962001 - “Standard recommended practice, control of external corrosion on
underground or submerged metallic piping systems”
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12.
Anexos
12.1
Figuras
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Las grabaciones en las caras de los postes deben ser bajo-relieve.
Los postes deben ser pintados de color naranja y las grabaciones de color negro.
Los postes de concreto deben ser tipo V, con una resistencia a la compresión (f´c) igual a 150 kg/cm2,
reforzados con varillas de 9,5 mm (3/8 pulg) y estribos de 6,3 mm (1/4 pulg).
21
Cable cal. 12 AWG con
doble forro, aislamiento
de polietileno de alto peso
molecular y PVC
15
15
34
Tubo
conduit
Caja hueca dejada en el
poste rellena de esmalte
de alquitrán de hulla
110
15
38
Soldadura de estaño
21
15
80
21
38
21
110
74
26
Derivación
Tipo R.S. de 0.01 Ω
Relleno de mortero de
cemento y arena 1:1
50
25
25
Al ánodo
Tubo conduit de 12.7 mm
(1/2 pulg)
A la tubería
Forro de cinta eléctrica de
plástico para las partes
Acot. en mm
Figura 12.1.1 Dispositivo de medición para poste de señalamiento y registro tipo “R” y “RA”
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15
2.5
10
2.5
2.5
15
8.5
10
10
2.5
2.5
2.5
10
5
5
5
CORTE A - A’
145
145
Tubo de 0.21 cm
(1/12 pulg)
Estribos de 0.63 cm
(1/4 pulg) cada 30 cm
2.5
25
36
4 vars. de 1.0 cm
(3/8 pulg)
ELEVACIÓN
CORTE
Acot. en cm
Figura 12.1.2 Poste de señalamiento y registro tipo “R”
Para amojonamiento y registro para protección catódica
2.5
15
A’
10
36
A
11
5
4 vars. de 1.0 cm
(3/8 pulg)
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2.5
4
7 3
7 3
32
#
22 7 3 7 3
+
3
A
56.5
0
"
1
5
8
7 3
2.5
2 32 5 2 5 2 5 22 3 5
22 5
54.5
P
R
M
E
X
5
2.5
59.5
3 7 12 1 7 3 7
54.5
5
5
3 7
+
22 7
2.5
5
X
22 7 2 5 2 7 3 7 3 7
2.5
5
P
E
M
E
2
4
0
4
10
12
18
20
COORDENADAS
GEOGRÁFICAS
Placa de aluminio
con coordenadas
geográficas UTM
22 5 2 5 2 5 2 5
2
62.0
7
8
7.5
6.5
A
B
Cara “C”, “C1”, C2
C
C1
C2
D
Cara “B”
Cara “A”
Cara “D”
Acotaciones en
cm
La cara “A” se debe orientar hacia las tuberías para proteger, instalar una placa de aluminio conteniendo bajo
relieve las coordenadas geográficas UTM.
La cara “B” debe indicar el kilometraje del ducto donde se localiza el poste.
La cara “C” debe indicar el origen y final del ducto por proteger.
La cara “C1” se debe utilizar en ambas desviaciones.
La cara “C2” se debe utilizar para localizar camas de ánodos.
La cara “D” se debe utilizar para indicar los diámetros de las tuberías por proteger.
Figura 12.1.3 Grabados para poste de señalamiento y registro tipo “RA”
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45
3 alambrones de 0.64
(1/4 pulg) a cada 18 cm
15
15°
45
Placa de concreto
armado (definitiva)
45
Placa de lámina
provisional
Caja cónica para
recibir ancla de la
placa de concreto
5 alambrones de 0.64 (1/4 pulg) a cada 17 cm
Solera de 5.1 x 0.32 (2 pulg
x 1/8 pulg)
45
Concreto 1:2:4
11
16
Tubo conduit 1.27 cm
(1/2 pulg) Ø
250
9
19
4
150
4 var. 0.95 cm (3/8 pulg) a 9
cm y estribos a cada 35 cm
Alambrón 0.64
cm (1/4 pulg)
15
2 ganchos Fe de 0.95 (3/8
pulg) cda. std.
Nivel de tierra
Acot. en cm
Salida del tubo a 30 cm
del extremo superior
120
370
15°
15°
Registro de medición
20
Figura 12.1.4 Poste de señalamiento y registro tipo “RA”
Para inspección aérea y registro para protección catódica
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Grabados en la placa con acabado de
mosaico en color negro sobre fondo naranja
3 4
5
39
2
Gravados en el poste en cavorelieve
Hasta el nivel de
tierra
1
45
Cara hacia el origen
Acotaciones en mm
5.5
18
18
5
18
5.5
5
Acot. en cm
Registro de medición
Hasta nivel de tierra
Desarrollo de 5 caras
del poste
Tubo conduit
2.6
15
150 hasta el
nivel de tierra
210
Caja rectangular de 49 x 205 x 15 cm
para embutir numeración de placas de
azulejo
Registro para
medición
Figura 12.1.5 Acabados y grabados para poste de señalamiento y registro tipo “RA”
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Agujero
Tubería a proteger
Empalme de conexión
con aislamiento
Variable
Cable de cobre con doble
aislamiento de PEAD y PVC
Soldadura por aluminiotermia
parcheo posterior con material
aislante
Variable
Poste de conexión
R o RA
Variable
Ánodo
PLANTA
Sin escala
Soldadura por aluminotermia
Tubería a proteger
Empalme de conexión
con aislamiento
0.8 m
Variable
Poste de conexión
R o RA
Cable de cobre con aislamiento
de polietileno de alto peso
molecular y PVC
Relleno
compacto
Ánodo de
magnesio
25 m
ELEVACIÓN
Sin escala
Figura 12.1.6 Arreglo típico de un sistema de protección terrestre a base de ánodos galvánicos
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Subestación eléctrica
tipo poste
Acometida eléctrica
Postes de señalamiento de
localización de la cama
anódica
Caseta de protección
Rectificador de
corriente alterna
Caja de conexión
de ánodos
+
Caja de conexiones
de tuberías
Ver detalle en figura
12.1.8
-
Poste tipo “R” o “RA”
para medición de
potencial
Cable anódico
Empalmes de conexión
con aislamiento
Soldadura
Cadweld
Cable anódico
Cable de cobre con aislamiento
doble forro polietileno de alto peso
molecular y PVC
Ánodos inertes rellenos
de coque pulverizado
Tuberías protegidas
Figura 12.1.7 Arreglo típico de un sistema de protección a base de corriente impresa
Total
D
U
C
T
O
S
5
4
3
=
Total
1
+
2
+
2
3
+
4
1
+
5
Figura 12.1.8 Circuito del sistema de protección cuando protege a más de un ducto
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A
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Ánodo de
aluminio
Solera
Tipo
Elemento
correspondiente a la
estructura
A’
Figura 12.1.9 Conexión de ánodo a elemento estructural, vista lateral
Ánodo de
aluminio
Tipo
Elemento
C
L
estructural
CORTE A – “A”
Conexión de ánodo a elemento
estructural
Figura 12.1.10 Conexión de ánodo a elemento estructural, vista transversal
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1
CORTE DEL PILOTE Y P.T.
ELEV. (+7.315)
ELEV. SUPERIOR DE
SUBESTRUCTURA (+5.858)
2
P.T.
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3
P.T.
4
P.T.
ELEV. DE REF. (+5.095)
NIVEL MEDIO DEL MAR + 0.000)
ELEV. DE REF. (-5.230)
ELEV. DE REF. (-24.384)
ELEV. DE REF. (-42.672)
LECHO MARINO
ELEV. (-65.200)
Figura 12.1.11 Distribución típica de los ánodos en la estructura
de la plataforma a diferentes elevaciones (sin escala)
P.T.
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1
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CATÓDICA
1
1
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1
B
A
PLANTA (ELEVACIÓN -65.200 m)
Figura 12.1.12 Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma a diferentes
elevaciones (sin escala)
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Figura 12.1.13 Dibujo típico de instalación de un ánodo de brazalete
tipo molde cilíndrico en ductos marinos
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Figura 12.1.14 Dibujo típico de instalación de un ánodo de brazalete
tipo segmentado en ductos marinos
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Satellite Navigation
Surface Navigation Chain
Land Stations
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Decca Pulse
Eight
Artemis Pulse Eight
Micro-Fix Satnav
System and
Microwave Systems
Platform
Hidro-acoustic
System
Subsurface and Surface
Navigation Systems
Responder and
transponder
Transponder
Navigation
Figura 12.1.15 Inspección de ductos submarinos
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Voltímetro
digital
- 0.850
+
+
-
-
Electrodo de
referencia
Estructura
Medio
Figura 12.1.16 Conexión del voltímetro para la medición del potencial estructura–medio (electrolito)
12.2
12.2.1
a)
b)
c)
Requerimientos de planos para un sistema de protección catódica terrestre
Plano de localización general-contenido
Escala: la misma de los planos de trazo y perfil (1: 4 000) con cuadrícula de coordenadas
Croquis de localización.
Ubicación mediante liga topográfica con trazo del ducto, de los siguientes elementos:
c1) Área para caseta y subestación eléctrica.
c2) Polígono de cama anódica.
c3) Polígono de ruta de cables.
c4) Polígono de la línea de transmisión eléctrica (proyecto).
c5) Línea de transmisión eléctrica existente (indicar voltaje y propietario).
c6) Camino o caminos de acceso existentes.
c7) Acceso de proyecto (en caso que aplique).
c8) Detalle conteniendo los primeros 3 elementos de esta relación.
c9) Dibujo de sección transversal indicando profundidad, ancho de sección, componente, entre otros.
c10) Se deben elaborar esquemas de propietarios con el cuadro de construcción respectivo para el
trámite de afectaciones de las áreas a contratar.
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12.2.2
b)
c)
Detalles de excavación para alojar la cama anódica y postes de amojonamiento
Instalación de lecho anódico
Diagrama representativo de la conexión de los componentes principales de la protección catódica: cama
anódica, ducto, rectificador, postes “RA” o “R”, caseta de protección del rectificador.
Indicación del tipo y calibres de los conductores (+) y (-).
Indicación del tipo de soldadura por utilizar.
12.2.2.3
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Detalle de instalación de ánodos
Título del detalle
Corte transversal de la cama anódica en forma representativa.
Acotaciones en mm.
Indicación de escala utilizada.
Indicación del N.T.N.
Indicación del tipo y calibres de los conductores primario y secundario por utilizar.
Indicación del tipo de soldaduras que apliquen.
Detalle típico de instalación de ánodos indicando relleno, tipo, diámetro y longitud del ánodo.
12.2.2.4
Cuadro de la composición química del ánodo
12.2.3
Plano de interconexiones eléctricas-contenido
12.2.3.1
Conexión eléctrica tipo i
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Rectificador-lecho anódico, rectificador-tubo-poste “RA”.
Tipo de poste “R” o “RA”.
Tipo y calibre de conductor (+) y (-).
Notas que apliquen.
Tipo de conexiones soldadas.
Caseta de rectificador.
Rectificador.
12.2.3.2
a)
b)
c)
PÁGINA 53 DE 56
Título del detalle.
Acotaciones en mm.
Indicación del N.T.N.
Indicación de postes tipo “RA” o “R”.
Indicación de cortes de secciones transversales de la cama anódica.
Indicación de la localización de celdas de referencia permanente (sí aplica).
12.2.2.2
a)
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Plano de cama anódica-contenido
12.2.2.1
a)
b)
c)
d)
e)
f)
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Detalles de los tipos de conexiones soldadas
Tipo ta.
Tipo ss.
Tipo caja.
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12.2.3.3
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Tabla de soldaduras (tipo)
Conexiones eléctricas tipo III (puenteo eléctrico de soldaduras)
Cuadro de localización de interconexiones
Tipo I, II, III y IV (las que apliquen).
Cantidad.
12.2.4
Plano de postes de señalamiento y registro tipo “RA”-contenido
12.2.4.1
a)
Interconexiones con tubería para puntos de drenaje de corriente impresa
Ducto a proteger de proyecto.
Indicación de ductos existentes que se puentean.
Profundidad del conductor.
Tipo y calibre del conductor.
Acotaciones.
Escala utilizada.
Indicación del N.T.N
Indicación de las conexiones de la caja unión (sí aplica).
12.2.3.7
a)
b)
Conexión eléctrica tipo II
Datos generales.
Localización.
Corriente del rectificador.
Calibre del conductor primario (AWG).
Tipo de soldadura.
Molde (cartucho).
Calibre de conductores.
Cantidad de soldaduras.
12.2.3.6
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
PÁGINA 54 DE 56
Detalle a
Tubería a proteger por proyecto.
Tipo de conector soldado a tubería.
Tipo y calibre del conductor.
Indicación del tipo de resina epóxica por utilizar en la protección de la soldadura.
Corte del detalle “a”.
12.2.3.5
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
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(tubo-poste “RA”)
Indicación de la escala.
Acotaciones en mm.
Indicación del N.T.N.
Detalle de ducto-conductor.
Tipo y calibre del conductor.
Detalle de caja de conexiones del poste “R” o “RA”.
12.2.3.4
a)
b)
c)
d)
e)
f)
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SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
Detalle de construcción de poste de concreto tipo “RA”
Indicaciones de acotaciones.
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b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
PÁGINA 55 DE 56
Detalles de grabado en caras del poste “RA”
Dimensiones de letras en cada una de las caras (en mm).
Indicación del número de cara.
12.2.4.3
a)
b)
c)
d)
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Indicaciones de la escala.
Indicaciones de la caja de registro para dispositivo de conexión y medición.
Indicaciones de dimensiones en mm.
Indicaciones del nivel de terreno natural.
Indicaciones de profundidad de la excavación.
Indicaciones de las dimensiones de capuchón de concreto.
Indicaciones del tipo y diámetro de tubería conduit ahogada en poste “RA”.
Indicaciones del corte de armado del poste “RA”.
12.2.4.2
a)
b)
DISEÑO, INSTALACIÓN Y
MANTENIMIENTO DE LOS
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
Construcción de capuchón de concreto
Detalle de corte (armado del capuchón vista de planta).
Corte (armado y dimensiones del capuchón de concreto, vista lateral).
Corte (armado de poste “RA” ).
Detalle (leyenda en capuchón de concreto vista de planta).
12.2.4.4 Dispositivo de conexión y medición en el punto de drenaje (detalles de construcción de
instalación del shunt)
12.2.5
Plano de postes de señalamiento y registro tipo “R”-contenido
12.2.5.1
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
Indicación de cortes que intervienen en este dibujo.
Indicación de la caja de registro.
Indicación de las acotaciones en mm.
Indicación de la escala utilizada.
Indicación de N.T.N.
Corte (vista lateral de poste “R”).
Acotaciones en mm.
Indicar N.T.N.
Indicación de la escala.
Indicación de tubería conduit ahogada en poste.
12.2.5.2
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
Construcción de poste de concreto para amojonamiento tipo “R” Elevación
Datos grabados en los postes de concreto tipo “R”
Cara a
Cara b
Cara c
Cara c1
Cara c2
Cara d
Acotaciones en mm.
Indicar N.T.N.
Indicación de la profundidad de instalación.
Indicación de las letras en cada una de las caras con acotaciones en mm.
Comité de Normalización de
Petróleos Mexicanos y
Organismos Subsidiarios
12.2.5.3
a)
b)
c)
d)
DISEÑO, INSTALACIÓN Y
MANTENIMIENTO DE LOS
SISTEMAS DE PROTECCIÓN
CATÓDICA
NRF-047-PEMEX-2007
Rev.: 0
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Dispositivo de conexión y medición
Detalle de la vista frontal instalación de conductor tipo HMWPE-PVC.
Detalle de la vista de perfil de la caja de conexiones incluyendo el shunt.
Conexiones interiores del shunt en la caja de conexiones.
Acotaciones en mm.
12.2.6
Plano constructivo y de instalación eléctrica de la caseta para rectificador
12.2.7
Plano de subestación eléctrica
12.2.8
Plano(s) de línea de distribución eléctrica
12.3
Requerimientos de planos para un sistema de protección catódica marino
12.3.1
Planos para ductos Marinos
a)
12.3.2
El plano debe incluir
a1) Plano de localización del ducto marino
a2) Diagrama típico de instalación de los ánodos en corte A-A, isométrico
a3) Diagrama típico de distancia entre ánodos en la línea regular
Planos para estructuras Marinas
a)
El plano debe incluir
a1) Conexión del ánodo a elemento estructural, típico de elevación y elevación corte A-A
b)
Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma en diferentes elevaciones:
b1) Elevación marco eje 1
b2) Elevación marco eje 2
b3) Elevación marco eje 3
b4) Elevación marco eje 4
b5) Elevación marco eje A
b6) Elevación marco eje B
c)
Distribución típica de los ánodos en la estructura de la plataforma en diferentes plantas.
c1) Planta en elevación + 6,096 m
c2) Planta en elevación -8,2306 m
c3) Planta en elevación -24,384 m
c4) Planta en elevación -42,672 m
c5) Planta en elevación -65,200 m